Processos de Fabricação Aula 02_Unidade 3_Solidificação

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Resumo da última aula
Unidade 1 – Introdução
1.1. Introdução à metalurgia
• Definições
• Três ramos da metalurgia: química – física – mecânica
1.2. Resumo dos processos de fabricação dos metais
• Processos de Formas Primárias em Metais;
• Processos de Conformação dos Metais;
• Processos de Usinagem dos Metais;
• Processos de Tratamento dos Metais;
• Processos de União de Metais.
1.2. Contexto histórico das operações de fundição
Resumo da última aula
 O que estudamos na última aula?
Unidade 2 – Conceitos fundamentais
2.1. Etapas do processo de fundição
1. Modelagem
2. Moldagem
3. Macharia (se necessário)
4. Fusão
2.2. Seleção do processo
2.3. Características e defeitos dos produtos fundidos
2.4. Vantagens e desvantagens
5. Vazamento
6. Desmoldagem
7. Acabamento (rebarbação e limpeza)
8. Controle de qualidade
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UNIDADE 3
Solidificação
Prof. Valmir Dias Luiz
Curso Técnico de Metalurgia
CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO 
DE TECNOLÓGICA DE MINAS 
FUNDIÇÃO E SOLIDIFICAÇÃO AULA 02
3.1. Introdução
 É na tecnologia de fundição que
a ciência da solidificação de
metais encontra o seu mais vasto
campo de aplicação.
 O calor do metal líquido é
retirado através das paredes do
molde, por transferência térmica,
provocando a sua solidificação e
fixando a forma final das peças
vazadas.
Peça
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3.1. Introdução
 A transformação “liquidus-solidus” pela qual passa o metal é
de natureza complexa, tendo em vista que durante a mesma
ocorrem diversos fenômenos que, se não forem devidamente
controlados, podem comprometer o desempenho do produto
final.
 Tais aspectos podem dar origem a diversos tipos de
heterogeneidades que interferem drasticamente na qualidade
do produto final:
a) heterogeneidades físicas;
b) heterogeneidades químicas;
c) heterogeneidades estruturais.
3.1. Introdução
a) Heterogeneidades físicas: geralmente originadas pela
contração do metal fundido em solidificação e durante
o resfriamento com conseqüente diminuição do
volume específico da peça (rechupes, trincas de
contração, porosidades e outros defeitos).
b) Heterogeneidades químicas: segregação de
impurezas ou de elementos de liga em escala
microscópica ou macroscópica).
c) Heterogeneidades estruturais: tipo, distribuição,
tamanho e orientação de grãos cristalinos.
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3.1. Introdução
 Uma boa compreensão da solidificação dos metais
permite conhecer a natureza das heterogeneidades antes
mencionadas.
 Suas causas e seus efeitos, indicando os parâmetros de
controle que podem ser manipulados de forma a otimizar
os processos de fundição e maximizar a qualidade e
desempenho do produto final.
 Entretanto, antes de abordar o assunto solidificação,
discutiremos rapidamente a natureza do estado líquido.
3.2. A fase líquida
 Em primeiro lugar, para fins de estudos, a fase líquida
dos metais será considerada monofásica e homogênea.
 Ao contrário das fases sólida e gasosa, a fase líquida
não possui nenhum modelo simples que a explique. Não
possui arranjos definidos e extensos como os sólidos
cristalinos.
 A curta distância, pode-se dizer que os metais líquidos
possuem um arranjo aproximado ao dos sólidos, porém
com uma grande inclusão de defeitos tais como lacunas e
discordâncias (variação de densidade de 2% a 6%).
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3.2. A fase líquida
 Outra característica dos líquidos
é o seu estado de variação
contínua.
 Isto é, existe uma movimentação
contínua do seu enorme número
de defeitos estruturais, fato esse
que explica sua enorme
velocidade de difusão (>>> nos
líquidos, Ex.: pedra na água).
 Movimentos atômicos nos
líquidos são diversas ordens de
grandeza mais rápidos que em
sólidos logo abaixo do ponto de
fusão. Alotropia do Ferro
3.2. A fase líquida
 Assim, pela fusão, os metais compactos (CCC: Cr, Fe,
Mo, W, etc) tendem a ter sua coordenação levemente
diminuída, porém os metais pouco compactos (CFC: Cu,
Al, Ag, Au, etc e HC: Ti) usualmente têm sua coordenação
aumentada.
 Portanto, as propriedades dos líquidos estão
relacionadas com a quantidade de defeitos enquanto as
propriedades dos sólidos dependem mais do arranjo
cristalino.
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3.3. Termodinâmica da solidificação
 Energia livre de Gibbs (G) (Josiah
Willard Gibbs, 1839-1903,
USA) é a porção da energia total de
um sistema que está disponível para
realizar trabalho a temperatura e
pressão constantes.
 Em termos de energia livre, a fase
líquida é uma fase intermediária.
 A fase sólida cristalina possui a
menor energia interna (entalpia) e a
maior ordem ou menor entropia (grau
de desordem de um sistema)
 Exemplo: G  gelo <<< água <<<
vapor.
G = E – T.S
G = energia livre [ J ] ;
E = entalpia [ J ] ;
T = temperatura [ K ];
S = entropia [ J/K ]
 A energia livre da fase gasosa
cai mais rapidamente com o
aumento da temperatura.
 A fase líquida vem em seguida
e a fase sólida é a que diminui
menos rapidamente.
 As energias livres das três
fases também são funções da
pressão, de modo que suas
posições relativas não são as
mesmas para diferentes
pressões.
<<< Energia livre (G)
+++ estável é a fase 
Importante
3.3. Termodinâmica da solidificação
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 No entanto, sob
determinada temperatura e
pressão as três fases podem
coexistir (fase GLS).
 Nesse caso, as linhas de
energia livre das três fases se
cruzam em um único ponto
chamado de ponto triplo.
 Linhas de pressão
constante (isobárica): aa, bb e
cc.
3.3. Termodinâmica da solidificação
 No entanto, sob determinada
temperatura e na isobárica aa,
para as temperaturas abaixo do
ponto de fusão Tf, a fase sólida
tem a menor energia livre.
 No entanto, em Tf, a curva de
energia livre do líquido cruza a do
sólido e então a fase líquida se
torna a mais estável.
 Em Te a curva dos gases cruza a
linha dos líquidos e a fase gasosa
passa a ser a de menor energia e,
logo, a mais estável, conforme
mostrado.
3.3. Termodinâmica da solidificação
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 Na linha bb, temos a pressão
que nos leva ao ponto triplo, onde
as três fases podem coexistir.
 As temperaturas abaixo do ponto
triplo, a fase sólida tem a menor
energia e, para todas as
temperaturas acima dele, a fase
gasosa tem a menor energia livre.
Nessa pressão (bb), a fase 
líquida só pode existir na 
temperatura do ponto triplo.
3.3. Termodinâmica da solidificação
 Na linha de pressão cc, a
pressão é bastante baixa.
 Nesse caso, a linha de
energia livre da fase gasosa
cruza a linha dos sólidos antes
que a linha dos líquidos o faça.
 Assim, a fase líquida não é
estável em nenhum ponto de
forma que um aumento na
temperatura faz com que a
fase sólida passe diretamente
para a fase gasosa.
3.3. Termodinâmica da solidificação
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3.4. Nucleação
 O estudo da solidificação envolve duas abordagens distintas:
- Na abordagem termodinâmica, analisam-se as energias
envolvidas na solidificação (já estudado);
- Na abordagem cinética, analisa-se a velocidade com que os
processos (de nucleação e crescimento) acontecem.
 Em geral, pode dividir-se a solidificação de um metal ou liga nas
seguintes etapas:
a) Nucleação: Formação de núcleos estáveis no líquido.
b) Crescimento: Os núcleos formados originando cristais e formando uma
estrutura de grão.
3.4. Nucleação
Esquema mostrando as várias etapas da solidificação de metais: (a) 
formação de núcleos, (b) crescimento dos núcleos, originando cristais, e (c) 
junção dos cristais para formar grãos e correspondentes limites de grão. 
Note-se que os grãos estão orientados aleatoriamente. 
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3.4. Nucleação
 A nucleação é um fenômeno que pode ocorrer com a formação de núcleos
diretamente a partir do líquido de duasformas distintas:
a) Nucleação homogênea: o início da solidificação ocorre com a formação de
núcleos sólidos estáveis que posteriormente crescem.
b) Nucleação heterogênea: a solidificação ocorre a partir de superfícies pré-
existentes, tais como as paredes do molde ou quando da presença de
partículas sólidas no líquido.
3.4. Nucleação
 A superfície a ser criada pela nucleação a partir de um substrato
(nucleação heterogênea) é menor, (comparada a da nucleação
homogênea) podendo facilitar o processo pois exige menor energia
de interface (barreira energética - pois parte desta já existe no
substrato) .
 Observa-se também que o núcleo resultante da presença de um
substrato possui menor volume e portanto menor número de átomos.
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3.4. Nucleação
 No estado líquido, tais átomos, além de
vibrarem, não possuem posição definida, pois
estão em movimento dentro do líquido.
 Por se movimentarem, os átomos no estado
líquido entram em colisão, envolvendo milhares
de átomos simultaneamente.
 Nesta colisão, surge um agrupamento
momentâneo de átomos, formando um núcleo,
com um dado arranjo atômico (CCC, CFC, HC,
etc).
 O núcleo é um sólido que pode crescer ou se
dissolver, dependendo da temperatura do
sistema.
Estruturas cristalinas 
mais comuns dos sólidos 
metálicos. 
Nucleação - Crescimento - Contornos de grão
3.4. Nucleação
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Representação esquemática de uma peça de um metal puro indicando os 
diferentes níveis estruturais. 
3.4. Nucleação
3.4. Nucleação
 Na região L (estado líquido) , a
temperatura diminui por efeito de
transmissão de calor através do
molde.
 A temperatura aumenta a partir de
(Tf-T) pelo efeito de
rescalescência. Inicia-se a
solidificação, através do
aparecimento dos primeiros núcleos
sólidos.
 No patamar L+S há a coexistência
dos estados líquido e sólido. Ao final
do patamar toda a massa está
solidificada (início da região S).
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Superresfriamento = o metal líquido é levado a
uma temperatura abaixo da sua temperatura de
fusão.
Recalescência = é a elevação súbita e espontânea
da temperatura durante o resfriamento.
Tf
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3.4. Nucleação
 As condições termodinâmicas
(diminuição da energia livre)
favorecem o aparecimento de
núcleos da fase sólida.
 Pode-se observar que após a forte
nucleação inicial a temperatura se
eleva até a temperatura de fusão (Tf)
do metal e o crescimento dos núcleos
até o final da transformação ocorre
nesta temperatura.
 A elevação de temperatura
(recalescência) ocorre devido à
liberação de calor latente de fusão (Lf
= Quant. calor cedida ou recebida
pela substância para mudar de fase)
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Tf
Superresfriamento = o metal líquido é levado a
uma temperatura abaixo da sua temperatura de
fusão.
Recalescência = é a elevação súbita e espontânea
da temperatura durante o resfriamento.
3.5. Crescimento
 A estrutura resultante em muitos
casos pode tornar-se muito complexa
com a formação de ramificações
secundárias, a partir das ramificações
primárias, e ramificações terciárias, a
partir das secundárias.
 O sólido ramificado resultante
apresenta o aspecto de uma árvore,
cheia de galhos, em miniatura e é,
por isso, denominado de dendrita,
termo derivado da palavra grega
dendron, que significa "árvore”.
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3.5. Crescimento
 A temperatura do metal líquido adjacente a estes ramos
(projeções) eleva-se devido à liberação de calor latente de
fusão correspondente ao volume solidificado.
0110
3.5. Crescimento
 Como resultado deste processo tem-se a formação de diversos
ramos quase igualmente espaçados que crescem paralelos entre
si.
 A direção de crescimento desses braços dendríticos é
cristalográfica e dependente da estrutura cristalina (conteúdo de
outra disciplina: Ciência dos Materiais)
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Estrutura cristalina Direção de crescimento dendrítica
Cúbica de face centrada (CFC) 100
Cúbica de corpo centrado (CCC) 100
Hexagonal compacta (HC) 1010 
Tetragonal de corpo centrado (estanho) 110
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3.6. Macroestrutura de solidificação
 Os grãos que aparecem na estrutura da peça ou do
lingote podem ter diferentes tamanhos dependendo das
taxas de extração de calor e gradientes térmicos em cada
momento da solidificação.
 Quando um lingote se solidifica, três diferentes fases do
processo de solidificação podem ocorrer, cada uma
desenvolvendo arranjos característicos de cristais:
1. Zona coquilhada;
2. Zona colunar;
3. Zona central ou equiaxial.
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3.6. Macroestrutura de solidificação
 Zona coquilhada: região de pequenos
grãos com orientação cristalina aleatória,
situada na parede do molde.
 Próximo à parede existe maior taxa de
extração de calor e portanto elevado
superresfriamento, que favorece a formação
destes grãos.
 Os grãos da zona coquilhada tendem a
crescer na direção oposta a da extração de
calor.
 Porém algumas direções cristalinas
apresentam maior velocidade de crescimento
que outra.
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Zona 
coquilhada
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3.6. Macroestrutura de solidificação
 Zona colunar: região de grãos
alongados, orientados na direção de
extração de calor.
 Os grãos da zona colunar que
possuem as direções cristalinas de
maiores velocidades de crescimento
alinhadas com a direção de extração de
calor, apresentam aceleração de
crescimento.
 Esta aceleração gera grãos alongados
que compõem a zona colunar, situada na
posição intermediária entre a parede e o
centro do molde.
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Zona colunar
3.6. Macroestrutura de solidificação
 Zona equiaxial central: região de
grãos geralmente grandes formados no
centro do molde como resultado da
nucleação de cristais ou da migração de
fragmentos de grãos colunares
(arrastados para o centro por correntes de
convecção no líquido).
 A formação da zona equiaxial central é
favorecida por altos teores de liga e por
baixos superaquecimentos de vazamento.
 Nesta região os grãos tendem a ser
médios/grandes e de orientação cristalina
aleatória.
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Zona central
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3.6. Macroestrutura de solidificação
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Variação da quantidade relativa de grãos a partir da periferia (zona coquilhada) 
de uma peça fundida com liga Al-2% Ag em molde metálico.
3.6. Macroestrutura de solidificação
 Nem sempre estas três zonas se formam, ou seja, através da variação
dos diferentes parâmetros do processo de solidificação, a macroestrutura
poderá apresentar uma, duas ou três das zonas solidificadas.
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Possíveis variações na macroestrutura de um lingote produzido por lingotamento convencional 
(seção longitudinal), em função das condições de solidificação: (a) ausência de zona equiaxial 
central; (b) presença das três zonas; (c) ausência das zonas coquilhada e colunar.